为什么电绝缘散热器如此罕见?只是成本吗?

电器工程 热的 散热器
2022-01-14 08:00:02

编辑:似乎我最初的问题(为什么没有绝缘散热器?)是基于一个错误的前提,实际上有绝缘散热器——我只是粗略地搜索一下就找不到它们。因此,相反,我将其更改为询问它们的稀有性。

散热器似乎几乎普遍由铝、铜或它们的某种组合制成。这是有道理的;铝和铜容易加工,导热率高。但是钻石具有任何已知物质中最高的导热率之一——当然,很明显,适合用作散热器的那种钻石至少可以说是非常昂贵的,因为它可能必须是单一的宝石级晶体,但不能使用具有相似导热性的立方氮化硼吗?

是的,制造大块 c-BN 单晶的制造难度可能与制造大块金刚石单晶差不多,但我预计最终价格不会那么高,因为没有戴比尔斯集团来找你氮化硼。当然还有其他非金属化合物具有良好的导热性,其中一些可能更适合制造。我怀疑他们甚至能够接近挤压铝的价格点,但有时你确实需要更高的性能。

所以,总而言之,我的问题是:是非金属散热器如此稀有的原因,还是其他一些缺点使得它们在最深奥的应用之外不太受欢迎?

4个回答

其他答案似乎没有涵盖的一件事是,您只需要一层非常薄的电绝缘体(在适度的电压下),而散热器的散热器部分如果很厚,效果最好。因此,使用薄的电绝缘屏障,然后使用厚的、便宜且易于制造的金属散热器比使用单片导热和电绝缘材料更有效。确实存在的少数材料(例如金刚石)不能挤压或以其他方式容易地形成散热器形状。有些可以烧结,但烧结一般不能达到块状材料的导热率。所有这些材料科学的工程效果是我们最终会做我们一直在做的事情。

另一个因素是库存政策:通过储备笨重的坚固散热器和少量(因为它们并不总是需要)小的精致绝缘垫,您的库存占用的存储空间和资金比您储备两种类型的笨重散热器要少。当不需要绝缘体时,成本和性能都更好。

这几乎不是一个新问题。我们这些特定年龄的人还记得用于 TO-220 和 TO-3 封装的带有云母绝缘体的散热器。

问题(当时)是材料成本和可用性以及材料科学。多年来,我们在了解各种化合物的导热性方面取得了长足的进步,但它仍然是相对较新的技术(有些东西已经存在了几十年,但它们本身并不是真正的散热器正确的)。

TO-220 在器件的集电极/漏极上有散热器,通常处于升高的电压下,因此典型的布置使用了这种技术:

TO-220 带绝缘体的散热器

来源

使用一些导热膏来最大化热传递并不罕见。

现在这并不能真正解释集成绝缘散热器的相对稀有性。这真的归结为“是否有必要”,或者我可以简单地使用众所周知的散热器方法和更便宜的电绝缘屏障材料(至少现在是这样)。

几十年来,这种久经考验的老方法一直很好用,但对于某些应用(尤其是小型设备中的应用)来说,这样的解决方案可能并不适用。

很多 可用 产品 ,但它们往往更贵一些(以每瓦为基础)。还有很多其他材料的研究。

当然,对于 bling 因素,您可以使用这些.

所以它归结为很多事情,成本是一个主要驱动因素。我还要指出,散热器的大市场是 CPU 和 GPU,其中 IC 的外壳无论如何都是电绝缘的。

聚合物散热器值得一提。聚合物散热器并不少见。我偶尔会遇到工业、汽车、专业消费品的聚合物散热器。它们通常很难被识别为散热器,因为它们可以有第二个机械用途(外壳、支架、灯的反射器)。这些散热器始终是定制的注塑成型部件。

与任何金属相比,聚合物的导热性很小。这就提出了一个问题:聚合物如何才能制造出可接受的散热器?在某些情况下,散热器的热阻主要取决于从散热器到空气的传递,而不是散热器本身的传导。当通过自然对流将热量排放到空气中时,就会发生这种情况。在这些情况下,由具有较高导热性的特殊聚合物制成的散热器 ( \$ \mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} } \$ ) 可以与铝 ( \$ \mathrm {200 \frac {W} {m\cdot K} } \$ ) 具有相同几何形状的散热器。

温度与气流的图表 E2是塑料(来源

这个旧答案中的一些额外讨论

关于散热器的问题在于,实际上只有两种方法可以最终处理热量,传导和辐射。

因此,最终,假设您的发射率相当接近 1(只有当您可以运行 HOT 时才真正重要,辐射的功率损耗是绝对温度的 4 次方),并且您可以使物体与周围的冷却介质(空气,水,等等),你做它的东西只有一点点(那个接口是性能的杀手,而不是散热器的大导热率)。

现在很明显,您需要设计散热器,以便热量合理有效地通过它,并且在有很多功率通量密度的区域可能会争论其他的东西,而不是盟友,对于大部分你有大量金属的东西为了保持 delta T 低,最好是最便宜的。

对于散热器或绝缘垫圈,当然不同,根据定义,在功率通量密度非常高且热阻最小的情况下使用散热器是一件非常好的事情,因此通常在此角色中使用铜。

对于绝缘体,您确实会看到使用的特殊材料,因为同时也是电绝缘体的良好导热体并不常见,因此氮化硼、氧化铝、氧化铍(!)等都在这里看到服务,我不会被使用钻石的人震惊(可能在一些奇怪的射频设备中)。